특정한 조건에서 전기 저항이 '0'으로 변하는 초전도체. 응용 분야가 무궁무진하고 산업 전반에 걸쳐 엄청난 파급 효과를 유발하기에 제2의 산업 혁명을 일으킬 신성장 동력으로 꼽는다.
세계 각국이 초전도 기술을 선점하기 위해 막대한 인력과 연구비를 투자하는 이유다. 특히, 비교적 고온에서 초전도 현상을 나타내는 '고온 초전도체'는 제조하기 쉽고 비용이 저렴하기에 초전도 기술의 실용화도 머지않았다. 고온 초전도의 특성은 무손실 전력 송전, 초고속 자기 부상 열차, 초전도 자장을 활용한 의료 기기 그리고 여러 가지 연관 산업 분야에 광범위하게 활용할 수 있다. 그중 초전도 전력 기기 분야는 대용량, 친환경, 고효율 특성으로 막대한 사회경제적인 부가가치를 창출하기에 연구가 가장 활발하다.

전기가 통하기 어려운 정도를 나타내는 것이 '전기 저항'이다. 물질에는 전기 저항이 작아서 전기가 잘 통하는 '도체'와 전기 저항이 커서 전기가 잘 통하지 않는 '부도체'또는 '절연체'가 있다. 도체 중 구리와 알루미늄 같이 전기가 잘 통하는 것을 '양도체'라 하며 주로 전기 배선과 전기 기기에 사용한다. 양도체는 전기 저항이 아주 작을 뿐 전혀 없는 것은 아니다. 전기 저항 때문에 전기를 흘리면 주울열이 발생해 전기 손실이 발생한다.

초전도체는 전기를 구리선보다 150배 이상 효율적으로 전달할 수 있다. 그러나 초전도 상태로 만들려면 초전도성 물질을 임계 온도라 불리는 극저온 상태로 냉각해야 한다. 특정 온도 영역(전이 온도)은 많은 연구자가 수십 년간 연구해 온 분야다. 대부분의 연구자는 에너지 문제를 해결 할 신물질을 만들거나 그 수준을 향상시키고자, 이 영역에 대한 연구에 박차를 가해 왔다. 그러나 초전도체를 만드는 임계 온도는 현재 -130℃ 근처이기에 관련 연구의 최종 목표는 상온에서 초전도체를 만드는 것이다. 스탠포드 대학 물질 · 에너지과학연구소(SIMES)의 자이 순 쉔Zhi-Xun Shen은 "우리가 발견한 새로운 상(Phase)을 조절하고 관리하면 새로운 초전도체를 찾을 뿐만 아니라, 에너지 응용을 위해 초전도체를 획기적으로 최적화할 것이다"라고 말한다. 쉔 연구팀의 연구 결과는 2011년 3월《사이언스》에 게재됐다. 초전도체는 에너지 손실이 전혀 없으며, 100% 전력 효율을 갖는 물질이다. 초전도체는 현재 MRI, 고효율 발전기, 자기 부상 열차 등에 쓰인다. 초전도체의 전력 분야 응용은 극히 일부분이자 시작에 불과할 뿐이다. 하지만 초전도체의 무한한 잠재성은 단 한 가지 한계성 때문에 아직 갈 길이 멀기만 하다. 바로 초전도체가 극저온에서만 그 특성을 나타낸다는 것이다. 지난 25년간 과학자들은 고온에서 작동하는 '고온 초전도체'개발에 몰두했음에도, 현재의 기술력은 초전도체를 만들기 위해 적어도 절대 온도 0도의 절반까지 냉각시켜야 한다. 현재까지 개발한 초전도체 중 가장 높은 온도에서 작동하는 초전도체가 바로 '큐프레이트Cuprates'다. 초전도체를 쉽고 저렴하게 이용하려면 초전도체의 작동 온도를 획기적으로 올려야 한다. 이에 대한 가능성을 높인 큐프레이트는 구리-라덴 재료로, 전이 온도가 액체 질소의 끓는점인 -195℃보다 높은 유일한 초전도체이기 때문이다. 하지만 어떤 것을 바꾸려면, 그것에 대한 이해가 필요하며 이를 위해 특정 온도 영역에 대한 미스터리를 풀어야만 한다. 초전도체의 전형적인 특징 중 하나는 물질이 초전도체상으로 전이할 때 나타나는 에너지 갭Energy Gap이다. 전자 에너지 갭은 초전도체 전류가 실제 구동할 수 있는 낮은 에너지 수준에서 전자가 쌍을 이룰 때 발생한다. 대부분의 물질 온도가 초전도체의 특성을 갖지 않을 만큼 상승하면 전자 쌍(Eelectron Pair)은 분리된다. 전자는 이전에 가졌던 에너지를 회복하기 시작하고 에너지갭은 사라진다. 그러나 큐프레이트는 초전도체를 이루는 임계 온도 이상에서도 에너지 갭을 유지한다. 이것을 '특정 온도 영역'이라 한다. 이러한 슈도 갭Pseudo Gap은 티-스타로 불리는 두 번째 임계 온도에 이를 때까지 완전히 없어지지 않는 특성을 보인다. 통상적으로 큐프레이트의 특정 온도 영역은 초전도 현상이 나타나는 온도보다 100℃ 정도 높다. 특정 온도 영역 상태에서 전자는 초전도 상태가 아니다. 이것이 지난 20년간 물리학자들의 머리를 아프게 했던 미스터리다. 쉔은 "이러한 특정 온도 영역에 대한 명쾌한 해답은 아마도 초전도의 확장 영역 또는 더 나은 초전도체로 발전하는 임계점이 되는 또 다른 상에 대한 조짐일지도 모른다"라고 말한다. 쉔 연구팀은 큐프레이트 초전도체 샘플의 내부와 외부를 세밀히 관찰했다. 연구진은 샘플 표면에서 전자 거동, 샘플 내부에서 열역학적 거동 및 샘플의 동적 특성 변화를 측정함으로써 최초로 세 가지 측정 기술을 동시에 적용하는 실험을 수행했다. 캘리포니아 대학 응집 물질 물리학자인 수딥 차크라발티Sudip Chakravarty는 "동일한 샘플을 이용해 세 가지 다른 측정을 한다는 것은 말처럼 쉬운 작업이 아니며, 수십 년간 연구를 통해 본 연구에서 사용한 측정 기술은 지금까지 해결하지 못한 문제를 풀 핵심적인 기술이 될 것이다"라고 말했다. 연구팀은 특정 온도 영역 상에서 전자가 쌍을 이루지 않는다는 것을 발견했고, 또한 지금까지 구별하기 어렵고 찾기 힘들던 전자의 순서를 밝혔다. 사실, 물질이 초전도성을 나타낼 때 전자는 새로운 순서로 존재한다. 이 사실을 지금까지 간과했으나, 초전도 상태에서 전자 쌍의 거동을 관찰함으로써 밝혀졌다. 차세대광원연구소의 박사 후 과정 연구원이자, 본 연구의 주저자인 루이후아 히Ruihua He는 "간단히 말해 특정 온도 영역은 차기 연구의 방향을 제공하는 물질의 새로운 상을 의미한다"며, 첫째 자연계의 특정 온도 영역순서 규명, 둘째 특정 온도 영역이 초전도 현상에 친화적인지 적대적인지 유무 확인, 셋째 특정 온도 영역이 친화적일 경우 이를 강화하는 특정 온도 영역의 순서 찾기와 같은 세 단계 향후 연구 계획을 제시했다. 한편, 스탠포드 가속기광원연구소 일원이자, 본 논문의 공동 저자인 마코도 하시모토Makoto Hashimoto는 "고온 초전도체 제작에 대한 로드맵을 보다 분명하게 제시하고 있으며, 이러한 로드맵은 다양한 분야의 과학 발전에 중요한 역할을 할 것이다"라고 말했다. ※ 출처 : 〈ScienceDaily〉2011. 3. 11

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